基于FPA的氣動柔性蘋果采摘末端執(zhí)行器研究.pdf

1、蘋果是最受人們歡迎的水果之一，其種植面積和產(chǎn)量逐年增加，但目前采摘主要由人工完成，并且作業(yè)期長、勞動強度大，而隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，研究采摘機器人代替人工完成蘋果采摘作業(yè)十分必要。但是由于蘋果本身的特性及其形態(tài)的限制，到目前為止國內(nèi)外的蘋果采摘的自動化程度仍然很低，本課題針對以上的問題，提出研究適用于蘋果采摘作業(yè)的末端執(zhí)行器。
　　 末端執(zhí)行器作為機器人與外界環(huán)境互相作用的最后執(zhí)行部件一直受到研究人員的關(guān)注。除了傳

2、統(tǒng)的剛性驅(qū)動和執(zhí)行機構(gòu)以外，本課題組研究的新型氣動柔性驅(qū)動器FPA（Flexible Pneumatic Actuator），既是驅(qū)動器也是執(zhí)行器，可以直接構(gòu)成各種關(guān)節(jié)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計了氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)，但由于橡膠管易變形，彎曲關(guān)節(jié)在載荷方向會產(chǎn)生扭曲變形。本文在彎曲關(guān)節(jié)原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加強了關(guān)節(jié)的側(cè)向剛度。由三個彎曲關(guān)節(jié)組成的末端執(zhí)行器在保持一定柔性的同時也兼顧了剛度，工作時向彎曲關(guān)節(jié)氣動柔性驅(qū)動器FPA內(nèi)充入壓縮氣體，實現(xiàn)末端執(zhí)行

3、器的運動。主要研究內(nèi)容：
　　 （1）對采摘對象蘋果進行了基本的力學(xué)特性的研究，利用萬能電子試驗機，完成蘋果壓縮試驗與蘋果果柄剪切試驗，分析討論了它們的特性關(guān)系；
　　 （2）設(shè)計了基于氣動柔性驅(qū)動器FPA的新型彎曲關(guān)節(jié)，用力學(xué)分析的方法對彎曲關(guān)節(jié)進行建模，分析建立關(guān)節(jié)彎曲量及輸出力與其內(nèi)腔氣體壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，搭建了實驗平臺，完成彎曲關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角實驗與彎曲關(guān)節(jié)輸出力實驗，實驗結(jié)果表明，理論分析與實際結(jié)果相一致；
　

4、　 （3）研制了一種基于氣動柔性驅(qū)動器FPA的末端執(zhí)行器，建立了末端執(zhí)行器抓取蘋果目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，對末端執(zhí)行器抓持方式進行了研究比較；
　　 （4）分析了磨削式、旋轉(zhuǎn)剪切式和直線剪切式三種果枝分離機構(gòu)，并分別對其進行了實驗研究，其中旋轉(zhuǎn)剪切式果枝分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，作為本文設(shè)計的末端執(zhí)行器果枝分離機構(gòu)；
　　 （5）搭建了末端執(zhí)行器的實驗平臺，進行實驗研究，該末端執(zhí)行器有較大的輸出力，并具有很好的柔順性，滿足蘋